膜蒸餾組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算流體力學(xué)模擬及實(shí)驗(yàn)研究

顏學(xué)升， 郁有陽(yáng)， 左子文， 田程友， 顏 亮

(1.江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212001； 2.江蘇遠(yuǎn)東環(huán)保工程有限公司， 鎮(zhèn)江 212001)

膜蒸餾技術(shù)是蒸餾與膜過(guò)濾耦合的一種水處理方法，以疏水性薄膜為分離介質(zhì)，在飽和蒸氣壓差的推動(dòng)下，將溫度較高一側(cè)溶液中易揮發(fā)的氣相組分穿過(guò)膜孔到達(dá)另一側(cè)冷凝，實(shí)現(xiàn)組分分離的過(guò)程[1]。與傳統(tǒng)蒸餾分離技術(shù)對(duì)比，其具有截留率高、對(duì)溶液組分敏感度低、裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作溫度低、操作壓力低等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，可以應(yīng)用于淡化海水[4]、提純中藥[5]、處理高含鹽廢水[6]等方面。但因其存在膜通量及熱效率低、膜污染嚴(yán)重等問(wèn)題[7]，大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用較少。

針對(duì)膜蒸餾過(guò)程，中外學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。丁鵬元等[6]對(duì)高含鹽廢水進(jìn)行真空膜蒸餾實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明真空度為99 298.5 Pa、溫度為70 ℃、流速為41.8 L/h、含鹽量為35 g/L時(shí)，膜通量可達(dá)到4.21 L/(m2·h)。Shirazi等[8]采用9種不同聚四氟乙烯(PTFE)膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明提高進(jìn)料溫度，進(jìn)料流量，降低滲透?jìng)?cè)溫度都可以增加膜通量；劉羊九等[9]對(duì)含鹽溶液進(jìn)行了膜蒸餾實(shí)驗(yàn)，以膜通量和造水比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用正交實(shí)驗(yàn)法找出了特定料液側(cè)溫度、滲透?jìng)?cè)溫度及料液流量下膜通量與造水比的最優(yōu)組合。在膜蒸餾實(shí)驗(yàn)中，膜表面溫度、濃度等參數(shù)的測(cè)定較復(fù)雜，且實(shí)驗(yàn)難以觀察膜組件內(nèi)部的流體流動(dòng)狀態(tài)。因此，借助計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)膜蒸餾過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)膜組件內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行分析很有必要。

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與流體力學(xué)等學(xué)科交叉形成的一門(mén)新的學(xué)科[10]，于20世紀(jì)80 年代后期被引入膜過(guò)程研究，隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多研究者將CFD技術(shù)引入到膜蒸餾研究中。Yazgan-Birgi等[11]以滲透通量和溫度極化系數(shù)為指標(biāo)，研究操作參數(shù)對(duì)直接接觸式膜蒸餾(DCMD)性能的影響，并將平板膜與中空纖維膜進(jìn)行對(duì)比，建立了CFD模型，研究了4個(gè)操作參數(shù)(料液側(cè)溫度、滲透?jìng)?cè)入口溫度、料液側(cè)雷諾數(shù)，滲透?jìng)?cè)雷諾數(shù))對(duì)于膜通量和溫度極化系數(shù)(TPC)的影響，結(jié)果表明滲透?jìng)?cè)雷諾數(shù)增加對(duì)中空纖維膜的膜通量而言，比平板膜更為敏感，且當(dāng)滲透?jìng)?cè)雷諾數(shù)越大，料液側(cè)溫度越高時(shí)，平板膜的膜通量越大。Lou等[12]利用CFD軟件模擬了板框式DCMD系統(tǒng)中的熱量和質(zhì)量傳遞，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究了各操作條件以及順流并流情況下的溫度和濃度極化現(xiàn)象，研究表明膜表面溶質(zhì)濃度顯著增加，超過(guò)進(jìn)料值的1.6倍，溫度，濃度和蒸汽通量在出口方向上有較大差異。李花等[13]對(duì)氣液兩相流強(qiáng)化氣隙式膜蒸餾過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及CFD模擬，研究分析了氣含率對(duì)流體擾動(dòng)作用、氣液混合效果、傳質(zhì)效果等的影響，結(jié)果表明氣含率≤0.56時(shí)，隨著氣含率增大，擾動(dòng)作用增強(qiáng)，傳質(zhì)效果變好；氣含率>0.56時(shí)，兩相流強(qiáng)化效果相對(duì)變差。前人研究多側(cè)重于流速、真空度等操作參數(shù)對(duì)膜蒸餾過(guò)程的影響，現(xiàn)采用CFD模擬實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證的方法，從優(yōu)化流道入手，設(shè)計(jì)新型的“彎曲型”擋流板，對(duì)膜組件內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，為膜組件優(yōu)化提供借鑒意義，以期實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

1 物理模型

對(duì)3種膜組件進(jìn)行數(shù)值模擬研究，三維物理模型如圖1所示，規(guī)定長(zhǎng)度方向?yàn)閅方向，寬度方向?yàn)閄方向，高度方向?yàn)閆方向，坐標(biāo)原點(diǎn)位于整個(gè)膜組件中心位置。如圖1(a)所示，模型A為實(shí)驗(yàn)研究中的常規(guī)膜組件；圖1(b)所示為模型B，其主要優(yōu)化方式是將模型A中的橫向進(jìn)出口位置改為垂直進(jìn)出口；在模型B的基礎(chǔ)上，于膜組件內(nèi)部加入3塊擋流板構(gòu)成模型C，其示意圖如圖1(c)所示。采用ICEM軟件對(duì)3種膜組件分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為觀察邊界層，在膜兩側(cè)加密網(wǎng)格，近膜面第一層網(wǎng)格厚度為0.001 5 mm，計(jì)算發(fā)現(xiàn)第一層網(wǎng)格處于黏性底層區(qū)域，滿(mǎn)足計(jì)算要求，加密網(wǎng)格呈對(duì)稱(chēng)分布。在此基礎(chǔ)上，利用Fluent16.0選擇能量模型、動(dòng)能-耗散率(k-ε)湍流模型、組分運(yùn)輸模型，采用基于壓力求解器的SIMPLE算法求解離散后的方程組，設(shè)置計(jì)算收斂殘差值為10-5。

圖1 三維物理模型Fig.1 Three-dimensional physical model

2 膜蒸餾評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 膜通量

膜通量是膜蒸餾過(guò)程中重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其物理意義是單位時(shí)間內(nèi)單位面積疏水膜的產(chǎn)水質(zhì)量，表達(dá)式如式(1)所示：

(1)

式(1)中：m為產(chǎn)水量，kg；Δt為產(chǎn)水時(shí)間，s；s為膜的有效產(chǎn)水面積，m2。

2.2 熱效率

熱效率σ是穿過(guò)膜面潛熱量與總熱通量的比值，是量化膜蒸餾過(guò)程能量利用與損耗情況的重要指標(biāo)，表達(dá)式為

(2)

式(2)中：Jm為膜通量，g/(m2·s)；km為導(dǎo)熱系數(shù)；ΔHv為易揮發(fā)組分相變潛熱，kJ/kg；δ為膜厚度，m；Tmf為熱側(cè)膜表面溫度， ℃；Tmp為冷側(cè)膜表面溫度， ℃。

2.3 溫度極化系數(shù)(TPC)

在膜蒸餾過(guò)程中，膜兩側(cè)料液主體溫度與兩側(cè)膜表面溫度并不相同，會(huì)存在溫度邊界層，而溫度邊界層會(huì)削弱傳質(zhì)推動(dòng)力，這種現(xiàn)象稱(chēng)為溫度極化，因此引入溫度極化系數(shù)來(lái)表征，具體形式為

(3)

式(3)中：Tbf為熱側(cè)主體溫度， ℃；Tbp為冷側(cè)主體溫度， ℃。

2.4 濃度極化系數(shù)(CPC)

與溫度極化系數(shù)類(lèi)似，引入濃度極化系數(shù)，其表達(dá)式為

(4)

式(4)中：cmf為熱側(cè)膜表面濃度，g/g；cmp為冷側(cè)膜表面濃度，g/g；cbf為熱側(cè)主體濃度，g/g；cbp為冷側(cè)主體濃度，g/g。

3 理論分析

3.1 傳熱過(guò)程

膜蒸餾過(guò)程中的熱量傳遞分為兩種:透過(guò)膜的蒸氣產(chǎn)生的汽化潛熱和熱傳導(dǎo)，所以膜兩側(cè)傳遞的總熱通量為

(5)

式(5)中：Jm為膜通量，g/(m2·s)；ΔHv為易揮發(fā)組分相變潛熱。

對(duì)于水，蒸發(fā)潛熱是溫度的單值函數(shù)：

(6)

由于膜由膜基與膜孔組成，在傳熱過(guò)程中膜孔中充滿(mǎn)氣相組分，所以導(dǎo)熱系數(shù)采用等效導(dǎo)熱系數(shù)算法計(jì)算，如式(7)所示：

km=εkg+(1-ε)ks

(7)

式(7)中：ε為膜的孔隙率；kg為膜孔中氣相組分的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；ks為膜基的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

3.2 傳質(zhì)過(guò)程

膜蒸餾跨膜傳質(zhì)時(shí)，傳遞的質(zhì)量與膜兩側(cè)的壓差成正比，如式(8)所示：

Jm=KmΔp=Km(pmf-pmp)

(8)

式(8)中：Km為跨膜傳質(zhì)系數(shù)；pmf為料液側(cè)膜表面蒸氣壓，Pa；pmp為滲透?jìng)?cè)膜表面蒸氣壓，Pa；Δp為膜兩側(cè)蒸氣壓差。

計(jì)算公式[14]為

(9)

式(9)中：R為摩爾氣體常數(shù)；T為膜的平均溫度，℃；τ為疏水膜的曲折因子；δ為膜的厚度；Pa為膜孔內(nèi)空氣分壓；r為平均膜孔孔徑；ε為疏水膜的孔隙率；Mv為水的摩爾質(zhì)量，kg/mol；P為膜孔內(nèi)總壓；D為水蒸氣的分子擴(kuò)散系數(shù)，PD可由經(jīng)驗(yàn)公式[15]計(jì)算：

PD=1.895×10-5T2.072

(10)

(11)

不揮發(fā)性組分的濃度及水的活度會(huì)影響水的飽和蒸汽壓，其計(jì)算公式為

(12)

(13)

3.3 控制方程

(1)連續(xù)性方程：

(14)

(2)動(dòng)量守恒方程[16]:

(15)

(16)

式中：p為壓力；g為重力加速度；I為湍流強(qiáng)度。

(3)能量守恒方程[16]:

(17)

式(17)中：c為濃度；Cp為定壓比熱容；k為流體導(dǎo)熱系數(shù)。

(4)組分運(yùn)輸方程

(18)

式(18)中：Yi為氯化鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ji為氯化鈉擴(kuò)散通量;Si為對(duì)應(yīng)組分的質(zhì)量源項(xiàng)；下標(biāo)i表示各組分。

3.4 邊界條件

(1)料液側(cè)與滲透?jìng)?cè)入口邊界條件：速度入口，壓力為常壓，采用湍流強(qiáng)度和水力直徑選項(xiàng)。

(2)料液側(cè)與滲透?jìng)?cè)出口邊界條件：壓力出口，出口壓力為常壓。

(3)膜表面：無(wú)滑移壁面，無(wú)傳質(zhì)通量，有傳熱，式(5)為傳熱計(jì)算公式。

膜組件壁面：無(wú)滑移壁面，無(wú)傳熱傳質(zhì)。

4 實(shí)驗(yàn)裝置

采用所設(shè)計(jì)的新型膜組件模型C進(jìn)行膜蒸餾實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)采用聚四氟乙烯(PTEF)平板膜，由上海名列新材料公司提供，膜材料具體參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。對(duì)不同熱側(cè)溫度、熱側(cè)入口流速、濃度等采用單因素實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，數(shù)據(jù)較多，因此為避免重復(fù)說(shuō)明，后續(xù)如無(wú)特殊說(shuō)明，各工況默認(rèn)操作參數(shù)如表2所示。

表1 疏水膜物性參數(shù)

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental equipment

表2 默認(rèn)操作參數(shù)

5 模擬結(jié)果與討論

5.1 模型驗(yàn)證

圖3 不同工況下實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比Fig.3 Comparison of experiment and simulation under different conditions

在不同熱側(cè)溫度、熱側(cè)進(jìn)口流速、濃度等工況下對(duì)模型C進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果如圖3所示。圖3(a)總誤差平均值為7.2%，當(dāng)熱側(cè)溫度為40～55 ℃，誤差在±6%波動(dòng)，當(dāng)熱側(cè)溫度達(dá)到60 ℃以上時(shí)，誤差逐步增大，最終達(dá)到峰值13.8%。圖3(b)以w(NaCl)=1%為條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，平均誤差為6.4%，最大誤差為12.3%，最小誤差為2.25%。圖3(c)為不同w(NaCl)下實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比。w(NaCl)較低時(shí)誤差能維持在8%以?xún)?nèi)，w(NaCl)=9%時(shí)，誤差最大為13%?？傮w而言，各工況下實(shí)驗(yàn)值與模擬值總體誤差能維持在14%以?xún)?nèi)，較為吻合，證明了模型的精確性。

5.2 膜組件內(nèi)部整體流態(tài)

所設(shè)計(jì)新型膜組件僅在熱側(cè)增加3塊擋流板，而未加擋流板時(shí)，冷側(cè)與熱側(cè)流道結(jié)構(gòu)一致，速度分布具有對(duì)稱(chēng)性，故僅展示熱側(cè)流線圖。模型A流線圖如圖4(a)所示，根據(jù)流態(tài)差異，可分為兩個(gè)區(qū)域：主流區(qū)與回流區(qū)，主流區(qū)中流體流向一致，均是從入口指向出口，不存在流向相反的液流，主流區(qū)形狀是流動(dòng)方向上截面逐漸變大的圓臺(tái)。整主流區(qū)內(nèi)流體受慣性力主導(dǎo)，流動(dòng)速度快；當(dāng)主流區(qū)高速液流達(dá)到出口時(shí)在慣性作用下撞擊壁面產(chǎn)生回流和渦旋，形成回流區(qū)，回流區(qū)中的流體方向混亂，相比于主流區(qū)，回流區(qū)能量損失較大，流速急劇下降。圖4(b)為模型B內(nèi)熱側(cè)流線圖，可以看出，進(jìn)口流體撞擊膜表面會(huì)形成四處發(fā)散的液流，這些液流充滿(mǎn)整個(gè)膜組件后流向出口，總體來(lái)說(shuō)，整個(gè)膜組件具有較為均勻的流場(chǎng)分布，這極大減少了膜組

圖4 各模型流線圖Fig.4 Streamline diagram of each model

件內(nèi)“死角”，可以最大限度利用膜面積，膜組件內(nèi)部不存在主流區(qū)與回流區(qū)，使得大部分區(qū)域流體可以充分地與外界料液進(jìn)行循環(huán)。圖4(c)為模型C熱側(cè)流線圖，可以看出，流體經(jīng)過(guò)第一個(gè)擋板時(shí)，一部分高速通過(guò)擋板與膜面之間的空隙，另一部分沿著擋板流往上層主體料液，帶動(dòng)膜表面流體與上層主體料液的混合，形成漩渦流動(dòng)，高速液流在慣性作用下流過(guò)第2個(gè)擋板的流體時(shí)又分為兩個(gè)部分，以此循環(huán)，而在模型C中擋流板造成的復(fù)雜流動(dòng)與入口液流碰撞結(jié)合，形成了更為混亂復(fù)雜的流動(dòng)?？傮w而言，流道優(yōu)化效果顯著，能改變膜組件內(nèi)部流體的流態(tài)，達(dá)到預(yù)期效果。

5.3 模型對(duì)比

5.3.1 溫度極化系數(shù)對(duì)比

如圖5(a)所示，總體來(lái)說(shuō)，模型C的Y=0平面上TPC最高，僅在X=10 mm及對(duì)稱(chēng)區(qū)域極小一段范圍內(nèi)低于模型B；在主流區(qū)，模型A保持較高的TPC，即-7 mm

圖5(b)中，根據(jù)X=0平面上TPC分布規(guī)律可以將其分為4個(gè)部分：①靠近進(jìn)口區(qū)域，由于入流與膜面的沖擊作用，模型B與模型C的TPC遠(yuǎn)高于模型A；②-35 mm

圖5 3種模型Y=0與X=0 平面上TPC分布Fig.5 TPC distributionon plane Y=0 and X=0 for three models

圖6 3種模型Y=0與X=0平面上CPC分布Fig.6 CPC distribution on plane Y=0 and X=0 for three models

5.3.2 濃度極化系數(shù)對(duì)比

圖6(a)中，模型C的CPC最小、最平穩(wěn)，其最大值不超過(guò)1.03，說(shuō)明模型C的濃度極化現(xiàn)象最弱，而在大部分區(qū)域內(nèi)模型A的CPC低于模型B，尤其是在模型A的主流區(qū)這種現(xiàn)象更為顯著；同樣，圖6(b)中X=0平面上，模型C雖有小范圍波動(dòng)，但是整體水平極低，模型B在進(jìn)口處由于液流撞擊作用CPC較低，但在流動(dòng)發(fā)展過(guò)程以極快的速度上升，使其在X>-20 mm的區(qū)域內(nèi)超過(guò)其他2種模型。

在同一工況下使用不同模型進(jìn)行試驗(yàn)，即排除其他因素的影響，證明了流道的優(yōu)化取得了良好的效果，綜合TPC與CPC分布，可以發(fā)現(xiàn)TPC與CPC對(duì)流動(dòng)狀態(tài)的敏感程度并非具有一致性，模型C的流動(dòng)湍度是最高的，因此其在TPC與CPC性能表現(xiàn)最佳，但是CPC的強(qiáng)化效果優(yōu)于TPC；模型A的溫度極化現(xiàn)象較模型B嚴(yán)重，而濃度極化現(xiàn)象卻優(yōu)于模型B，綜合對(duì)比模型A與模型B內(nèi)的速度分布圖，可以看出Y=0平面模型A的速度遠(yuǎn)大于模型B，由此可以得出結(jié)論：雷諾數(shù)提高的確可以極大地弱化濃度極化現(xiàn)象，因?yàn)闈舛冗吔鐚雍鼙?，一般并不?huì)影響主體料液濃度，所以流速增加使膜表面高濃度流體與主體料液混合后，膜面濃度會(huì)迅速下降，而雷諾數(shù)的提高對(duì)溫度極化的影響并非是決定條件，原因在于，熱量傳遞速度快，量級(jí)大，很容易影響主體料液溫度，當(dāng)膜組件內(nèi)流動(dòng)循環(huán)不佳時(shí)(如模型A中回流區(qū))，熱側(cè)主體料液溫度會(huì)大幅下降，流速巨大也無(wú)法使膜面溫度得到恢復(fù)。

5.3.3 膜通量與熱效率

采用單因素變量，以熱側(cè)溫度、熱側(cè)進(jìn)口流速、濃度為因變量進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)對(duì)比，分析各模型在不同工況下的膜通量與熱效率差異的原因。

由圖7(a)所示，3種模型的膜通量均隨著熱側(cè)溫度升高而加速上升，因?yàn)殡S著溫度升高，水的飽和蒸汽壓呈指數(shù)升高，膜兩側(cè)的飽和蒸汽壓差增大，根據(jù)達(dá)西定律，膜通量與飽和蒸汽壓差呈正比例關(guān)系，故膜通量呈上升的趨勢(shì)。同時(shí)，溫度升高，水的黏度降低，流動(dòng)阻力降低，削弱了溫度極化和濃度極化效應(yīng)，膜通量進(jìn)一步提高。此外，膜通量大小關(guān)系為模型C>模型B>模型A，可見(jiàn)，流道優(yōu)化起到了顯著的效果，當(dāng)溫度為70 ℃時(shí)，模型C的膜通量約為模型A的兩倍，同時(shí)模型C的增長(zhǎng)速率最快，當(dāng)熱側(cè)溫度從40 ℃增加至70 ℃時(shí)，膜通量從2.9 g/(m2·s)提高至14 g/(m2·s)，增加了約4.8倍，而模型A與模型B分別提升了4.2倍與4.1倍，可見(jiàn)，熱側(cè)溫度對(duì)模型C膜通量影響效果最顯著。

圖7 不同模型中不同熱側(cè)溫度下對(duì)膜通量與熱效率影響Fig.7 Effect of different hot side temperature on membrane flux and thermal efficiency for different models

對(duì)于圖7(b)所示的熱效率，模型C對(duì)比其他兩種模型提高4%以上，此外，在熱側(cè)溫度低于45 ℃時(shí)，模型B>模型A，而高于45 ℃時(shí)，模型B<模型A，其原因在于，在膜兩側(cè)溫差較低時(shí)，熱傳導(dǎo)速率低，模型A與模型B導(dǎo)熱量差異小，而模型B的潛熱量高于模型A，所以在低溫差下模型B熱效率大于模型A，膜兩側(cè)溫差增加時(shí)，模型A由于回流區(qū)的存在與模型B總體導(dǎo)熱量差異逐漸增大(前者小于后者)，當(dāng)潛熱量的差異無(wú)法彌補(bǔ)導(dǎo)熱量差異時(shí)，模型B熱效率開(kāi)始小于模型A。

如圖8(a)所示，各模型的膜通量均隨著流速增加而增加，因?yàn)榱魉俚脑黾又饕绊懥鞯纼?nèi)的湍動(dòng)程度，流速越快，擾動(dòng)越強(qiáng)，有利于破壞溫度邊界層和濃度邊界層，進(jìn)而提高膜通量；此外，流速加快，能夠防止NaCl在膜表面附近沉積，膜通量也會(huì)提升。熱側(cè)進(jìn)口流速?gòu)?.2 m/s增加到0.8 m/s時(shí)，各模型膜通量增長(zhǎng)速率各不相同，模型A膜通量增大1.9倍，模型B增大2倍，模型C增大1.78倍，即模型C<模型A<模型B，原因在于模型C中擋流板的存在極大地提高了膜通量，當(dāng)流速及混合度達(dá)到某個(gè)臨界值后膜通量變化不大；對(duì)于模型A，需對(duì)兩個(gè)區(qū)域分別分析，首先流速的增加對(duì)主流區(qū)的膜通量?jī)?yōu)化較為顯著，而對(duì)于回流區(qū)，入口流速增加可以強(qiáng)化回流區(qū)的流速(根據(jù)模型A的速度分布圖)，但是由于回流區(qū)與主流區(qū)質(zhì)量交換效果不佳限制了溫度極化的削弱，此外，流速的增加并不會(huì)大幅度改變主流區(qū)與回流區(qū)交界處的流動(dòng)狀態(tài)；模型B內(nèi)部流動(dòng)均勻，入口流速增加時(shí)，內(nèi)部流速均得到提升，所以流速?gòu)?qiáng)化效果最佳。

圖8 不同模型中不同熱側(cè)進(jìn)口流速下對(duì)膜通量與熱效率影響Fig.8 Effect of hot side inlet flow rate on membrane flux and thermal efficiency for different models

圖8(b)中，模型A與模型B的熱效率趨勢(shì)線存在交叉點(diǎn)，原因在于：低流速下模型A的熱傳導(dǎo)損失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于模型B，隨著流速增加，模型B的膜通量增加，其潛熱量增大，當(dāng)流速達(dá)到0.65 m/s時(shí)，潛熱量與熱傳導(dǎo)通量達(dá)到平衡，而后模型A熱效率高于模型B。

由圖9(a)可知，隨著NaCl濃度的提高，各模型的膜通量均呈下降的趨勢(shì)。因?yàn)榱弦簼舛鹊奶岣邥?huì)降低水的活度，進(jìn)而導(dǎo)致水蒸氣分壓減小，削弱了傳質(zhì)推動(dòng)力，造成膜通量下降；同時(shí)，當(dāng)料液濃度達(dá)到過(guò)飽和度時(shí)，會(huì)引發(fā)過(guò)飽和結(jié)晶現(xiàn)象，使膜孔堵塞、膜的有效面積下降，膜通量下降。從w(NaCl)=1%提高至w(NaCl)=7%過(guò)程中，各模型所降低的量有所不同，模型A下降了5.5%，模型B下降6.76%，模型C下降2.5%，說(shuō)明NaCl濃度對(duì)模型B膜通量影響最劇烈，模型A其次，模型C敏感度最低。事實(shí)上，該結(jié)果與濃度邊界層有關(guān)，根據(jù)前文得出的不同模型濃度極化系數(shù)分布得出的結(jié)論，3種模型中，模型B的濃度極化現(xiàn)象最嚴(yán)重，說(shuō)明濃度邊界層普遍存在，故模型B膜通量變小情況尤為明顯。

圖9 不同模型中不同濃度下對(duì)膜通量(a)與熱效率(b)影響Fig.9 Effect of concentration on membrane flux (a) and thermal efficiency (b) for different models

濃度的提高并不會(huì)對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生影響，其對(duì)傳熱的影響僅體現(xiàn)在膜通量引起的潛熱差異，所以圖9(b)熱效率的變化趨勢(shì)與圖9(a)保持一致。

6 結(jié)論

對(duì)3種流道結(jié)構(gòu)的膜組件進(jìn)行數(shù)值模擬，選取最優(yōu)流道膜組件予以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，得出以下結(jié)論。

(1)模型A中流體存在分區(qū)現(xiàn)象，主流區(qū)流速快，回流區(qū)能量損失大，不利于傳質(zhì)；模型B內(nèi)流場(chǎng)均勻，無(wú)分區(qū)現(xiàn)象；加入擋流板使模型C內(nèi)流體最為復(fù)雜，流體湍動(dòng)程度高。

(2)在同一工況下，對(duì)于TPC，模型C>模型B>模型A，對(duì)于CPC，模型C<模型A<模型B，模型A溫度極化現(xiàn)象最嚴(yán)重，模型B濃度極化現(xiàn)象最嚴(yán)重，模型C對(duì)比其他模型極化效應(yīng)得到極大改善(尤其是濃度極化現(xiàn)象)。

(3)膜通量最高的模型C比膜通量最低的模型A提升至少90%，對(duì)于熱效率，模型C最高，模型A與模型B在不同工況下大小存在差異；此外各操作參數(shù)對(duì)各模型的影響顯著性不同：模型C的膜通量對(duì)熱側(cè)溫度最為敏感，同時(shí)， 模型C的膜通量受熱側(cè)進(jìn)口流速影響也最小。

(4)通過(guò)對(duì)流道進(jìn)行優(yōu)化，能提高膜蒸餾過(guò)程的滲透通量。